พอลิเมอร์นำไฟฟ้าและพอลิเมอร์ที่ตอบสนองทางไฟฟ้า

พอลิเมอร์นำไฟฟ้าและพอลิเมอร์ที่ตอบสนองทางไฟฟ้าสามารถนำประจุไฟฟ้าหรือตอบสนองทางไฟฟ้าได้เนื่องจากมีโครงสร้างหลักแบบคอนจูเกต ซึ่งเมื่อมีการโดป จะกลายเป็นสารกึ่งตัวนำหรือโลหะใกล้เคียง ทำให้พลาสติกกลายเป็นวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้

Definition

พอลิเมอร์นำไฟฟ้าและพอลิเมอร์ที่ตอบสนองทางไฟฟ้าเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ทางอินทรีย์ที่มีโครงสร้างหลักแบบคอนจูเกต ซึ่งหลังจากโดปแล้ว จะสามารถนำประจุไฟฟ้าได้ หรือมีการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์และแสงที่ผันกลับได้ ทำให้มีพฤติกรรมทางไฟฟ้าตั้งแต่สารกึ่งตัวนำไปจนถึงโลหะ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพอลิเมอร์นำไฟฟ้าโดยธรรมชาติ เช่น พอลิอะเซทิลีน, พอลิไพร์โรล, พอลิไทโอฟีน, พอลิอะนิลีน และ PEDOT: บทบาทของการคอนจูเกตของโครงสร้างหลัก, กลไกและเคมีของการโดป, ตัวพาประจุรวมถึงพอลาโรนและไบพอลาโรน, และพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์, แสง, และเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นซึ่งนำไปใช้ประโยชน์ในอุปกรณ์ต่างๆ

Core questions

• เหตุใดการคอนจูเกตของโครงสร้างหลักจึงช่วยให้ประจุเคลื่อนที่ไปตามสายโซ่พอลิเมอร์ได้?
• การโดปเปลี่ยนพอลิเมอร์คอนจูเกตที่เป็นฉนวนให้เป็นตัวนำได้อย่างไร?
• พอลาโรนและไบพอลาโรนคืออะไร และพวกมันนำพาประจุได้อย่างไร?
• พอลิเมอร์เหล่านี้ถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเคมีไฟฟ้าได้อย่างไร?

Key theories

การคอนจูเกตและการก่อตัวของแถบพลังงาน

พันธะเดี่ยวและพันธะคู่สลับกันตามโครงสร้างหลักทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนพายแบบไม่จำเพาะเจาะจง (delocalize pi electrons) ไปยังสถานะที่ขยายออกไปซึ่งคล้ายกับแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เมื่อมีการเพิ่มตัวพาประจุแล้ว จะรองรับการนำไฟฟ้า

การโดปและตัวพาประจุ

การโดปแบบออกซิเดชันหรือรีดักชันจะกำจัดหรือเพิ่มอิเล็กตรอน ทำให้เกิดข้อบกพร่องที่มีประจุและเคลื่อนที่ได้ (พอลาโรนและไบพอลาโรน) บนสายโซ่ และเพิ่มการนำไฟฟ้าได้หลายอันดับของขนาด ซึ่งเป็นกระบวนการที่มักจะผันกลับได้ทางเคมีไฟฟ้า

Mechanisms

ในพอลิเมอร์คอนจูเกต การซ้อนทับกันของ p ออร์บิทัลตามโครงสร้างหลักจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบไม่จำเพาะเจาะจง (delocalized electrons) แต่สายโซ่ที่เป็นกลางจะมีแถบพลังงานที่เต็มและมีพฤติกรรมเป็นฉนวนหรือสารกึ่งตัวนำ การโดปด้วยการออกซิเดชันหรือรีดักชันทางเคมี หรือด้วยการชาร์จทางเคมีไฟฟ้า จะนำตัวพาประจุเข้ามาในรูปของพอลาโรนและไบพอลาโรน ซึ่งเป็นการบิดเบี้ยวที่มีประจุเฉพาะที่ซึ่งเคลื่อนที่ไปตามและระหว่างสายโซ่ การนำไฟฟ้า การดูดกลืนแสง และสีของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงผันกลับได้ตามระดับการโดป ซึ่งเป็นพื้นฐานของพฤติกรรมที่ตอบสนองทางไฟฟ้า โดยรวมแล้ว การขนส่งประจุถูกจำกัดด้วยการกระโดดข้ามระหว่างสายโซ่ ดังนั้น สัณฐานวิทยาและระเบียบจึงส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพ

Clinical relevance

พอลิเมอร์นำไฟฟ้าและพอลิเมอร์ที่ตอบสนองทางไฟฟ้าช่วยให้เกิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์และอุปกรณ์พลังงาน: ฟิล์มที่ใช้ PEDOT ทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าโปร่งใสและสารเคลือบป้องกันไฟฟ้าสถิต, พอลิเมอร์คอนจูเกตทำหน้าที่เป็นชั้นที่ทำงานในไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์, ทรานซิสเตอร์ และเซลล์แสงอาทิตย์, และพอลิเมอร์ที่ตอบสนองต่อรีดอกซ์ถูกนำมาใช้ในเซ็นเซอร์, หน้าต่างอิเล็กโทรโครมิก, ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ และขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่

History

Heeger, MacDiarmid และ Shirakawa ค้นพบในปี 1977 ว่าการโดปพอลิอะเซทิลีนช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าได้หลายอันดับของขนาด ซึ่งทำให้พอลิเมอร์คอนจูเกตเป็นวัสดุอิเล็กทรอนิกส์และได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2000; ทศวรรษต่อมาได้มีการผลิตตัวนำที่สามารถแปรรูปได้และเสถียร เช่น พอลิอะนิลีนและ PEDOT ซึ่งทำให้สาขานี้ก้าวเข้าสู่อุปกรณ์เชิงพาณิชย์

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

พอลิเมอร์นำไฟฟ้าสามารถนำไฟฟ้าได้ด้วยตัวเองหรือไม่?

ในสถานะที่เป็นกลาง พอลิเมอร์คอนจูเกตส่วนใหญ่เป็นสารกึ่งตัวนำหรือฉนวน พวกมันจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้าสูงก็ต่อเมื่อมีการโดปเท่านั้น ซึ่งเป็นการเพิ่มหรือกำจัดอิเล็กตรอนเพื่อสร้างตัวพาประจุที่เคลื่อนที่ได้ตามโครงสร้างหลัก

พอลิเมอร์นำไฟฟ้าถูกนำไปใช้ที่ไหนบ้าง?

พวกมันปรากฏอยู่ในไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์, เซลล์แสงอาทิตย์, และทรานซิสเตอร์, เป็นสารเคลือบขั้วไฟฟ้าโปร่งใสและป้องกันไฟฟ้าสถิต, และในเซ็นเซอร์, จอแสดงผลอิเล็กโทรโครมิก, และขั้วไฟฟ้าเก็บพลังงาน ซึ่งพฤติกรรมทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ปรับแต่งได้และแปรรูปได้ของพวกมันมีคุณค่า